Результаты работы Ивана Наумова (Ivan Naumov) и Рассела Хемли (Russell Hemley), посвященные изучению самого простого химического элемента – водорода, позволяют провести параллели между свойствами графена и водорода, находящегося под экстремально высокими давлениями.

Водород представляет собой наиболее распространенный во Вселенной и при этом наиболее простой химический элемент. Это обуславливает популярность использования водорода в качестве модели для проверки закономерностей теории химической связи еще с самого начала ХХ века – с момента появления аппарата квантовой механики. Понимание природы химической связи в экстремальных условиях весьма важно для расширения наших представлений о том, какие формы существования материи могут встретиться нам в процессе постижения Вселенной.

Рисунок из Accounts of Chemical Research, 2014; 47 (12): 3551

Изучение поведения водорода в условиях экстремально высоких давлений представляет собой крайне сложную задачу для исследователей. Ранее исследователям удалось продемонстрировать, что при давлениях, лежащих в пределах от 2 до 3,5 миллионов атмосфер, водород ведет себя необычно – он принимает слоистую форму, а не плотно упакованное металлическое состояние, существование которого было предсказано еще много лет тому назад. Такие слои водорода своим строением напоминают графен – двумерную аллотропную модификацию углерода.

В новой работе Наумов и Хемли показали, что устойчивость необычной структуры, которую принимает сверхсжатый водород, является следствием стабильности шестичленных водородсодержащих циклов. Причиной образования таких шестичленых циклов является та же самая ароматичность, которая обуславливает стабильность бензола и графена.

Результаты исследования Наумова и Хемли также позволяют установить, что первоначально при сжатии водород превращается в темный и обладающей не очень высокой проводимостью графитоподобный материал, а не в блестящую металлоподобную структуру с металлической проводимостью. Металлизация водорода была предсказана еще в 1930-е годы на основании ранних попыток квантово-механического моделирования твердых веществ.

Открытие слоистой структуры сверхсжатого водорода оказалось сюрпризом для многих химиков еще около трех десятков лет назад, и до открытия графена считалось, что экспериментальные свидетельства в пользу такой структуры являются просто артефактом. Результаты работы Наумова и Хемли не только подтверждают существование такой формы водорода, но и объясняют причины этого феномена.

Как поясняет Химли, новые результаты позволяют говорить о том, что химическое связывание может проявляться в гораздо более широком наборе условий, чем мы можем представить.

Источник: Accounts of Chemical Research, 2014; 47 (12): 3551 DOI: 10.1021/ar5002654